Optoelektronik mit Germanium

Kompakte Lichtmodulatoren aus Germanium-Silizium-Schichten

Silizium leuchtet – das ist längst keine Neuigkeit mehr, inzwischen gibt es zudem Lichtmodulatoren aus Silizium für die Nachrichtentechnik, also Ein/Aus-Schalter für Lichtstrahlen aus Dauerstrichlasern. Bisherige Bauelemente sind entweder recht klobig oder nur aufwendig herzustellen. Amerikanische Forscher haben nunmehr einen kompakten Lichtmodulator entwickelt, der sich für die Massenproduktion und für den Einbau in Siliziumchips eignen soll. Für den in der Telekommunikation üblichen IR-Lichtwellenlängenbereich müssten die Forscher ihren Aufbau noch anpassen.

Silizium eignet sich wegen seiner indirekten Bandlücke – Gitterschwingungen müssten daher mit einer Lichtemission einhergehen – nur sehr bedingt für die Optoelektronik; erst seit einigen Jahren lässt sich mit so allerhand Tricks Silizium zum Leuchten bringen (Silizium zum Leuchten bringen). Dasselbe gilt für Germanium. Während beide Halbleiter in massiven Kristallen indirekte Bandlücken aufweisen, lässt sich durch eine raffinierte Anordnung dünner Schichten eine direkte Bandlücke erzeugen.

Forscher der Stanford-Universität haben einen Lichtmodulator aus Silizium-Germanium-Schichten gebaut, im Jargon nennt sich so ein Stapel ein Multilayer. Diese Komponenten lassen sich jedenfalls prinzipiell in Siliziumchips einbauen, nicht so die bisher üblichen III/V-Verbindungshalbleiter wie GaAs oder InP, die Kristalle sind anders aufgebaut. Die Wissenschaftler berichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 27.10.2005 der Zeitschrift Nature in Band 437 auf Seite 1334.

Je nach anliegendem elektrischen Feld lässt der Modulator das Licht durch oder er absorbiert es. So kann er Signale auf den Lichtstrahl eines Dauerstrichlasers aufprägen. Theoretisch ist eine Schaltzeit in der Größenordnung einer Picosekunde und somit so eine Datenrate deutlich über 50 Gbit/s möglich.

Das Bauelement funktioniert nach einer Variante des Stark-Effekts, die dort im letzten Absatz erläutert ist. Die Energiebänder in sehr dünnen, verspannten Schichten verschieben sich beim Einschalten eines elektrischen Feldes, somit variiert die Energie der zu absorbierenden Photonen. Der Effekt ist schon seit 20 Jahren bekannt, aber nur für III/V-Verbindungshalbleiter und nicht für Si und Ge. Zwar gibt es bereits Lichtmodulatoren aus Si, aber da die Modulationseffekte schwach sind, sind entweder vergleichsweise klobige Bauelemente oder Resonatoren mit besonders hohem Gütefaktor erforderlich.

Da Si eine größere Bandlücke als Ge hat, können die als Barrieren wirkenden SiGe-Schichten des Multilayers die Elektronen im Ge einschließen. Die exakte Lage der Energieniveaus hängt von der Geometrie der Schichten ab. Die Dicken der Schichten sind so zu wählen, dass der Stapel ohne anliegendes elektrisches Feld die Photonen der vorgegebenen Frequenz gerade noch nicht absorbieren kann. Ein solches Feld deformiert die Energiebänder, so dass nunmehr eine Photonenabsorption möglich ist.

Das Ergebnis ist nun ein Halbleiter mit direkter Bandlücke, der sich somit für die Optoelektronik eignet. Für Anwendungen in der Telekommunikation müsste der Lichtmodulator allerdings im dort üblichen Lichtwellenlängenbereich um 1550 nm arbeiten, das bleibt noch zu tun.